Summary
이 논문은 습식 핸드 레이업/진공 백 방법을 사용하여 얻은 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합 라미네이트의 제조 공정을 설명합니다.
Abstract
전통적인 습식 핸드 레이업 공정(WL)은 섬유 복합 라미네이트 제조에 널리 적용되었습니다. 그러나 성형 압력이 부족하여 섬유의 질량 분율이 감소하고 내부에 많은 기포가 갇혀 품질이 낮은 라미네이트(강성 및 강도가 낮음)가 됩니다. 복합 라미네이트 제조를 위한 습식 핸드 레이업/진공 백(WLVB) 공정은 진공 백을 사용하여 기포를 제거하고 압력을 제공한 다음 가열 및 경화 공정을 수행하는 기존의 습식 핸드 레이업 공정을 기반으로 합니다.
기존의 핸드 레이업 공정과 비교하여 WLVB 공정으로 제조된 라미네이트는 더 나은 강도와 강성, 더 높은 섬유 부피 분율 및 더 낮은 공극 부피 분율을 포함하여 우수한 기계적 특성을 보여주며, 이는 모두 복합 라미네이트의 이점입니다. 이 프로세스는 완전히 수동이며 준비 담당자의 기술에 큰 영향을 받습니다. 따라서 제품은 공극 및 고르지 않은 두께와 같은 결함이 발생하기 쉽고, 라미네이트의 품질과 기계적 특성이 불안정합니다. 따라서 라미네이트의 기계적 특성을 보장하기 위해 WLVB 공정을 미세하게 설명하고, 단계를 미세하게 제어하고, 재료 비율을 정량화해야 합니다.
이 논문은 직조 일반 패턴 유리 섬유 강화 복합 라미네이트(GFRP)를 제조하기 위한 WLVB 공정의 세심한 공정에 대해 설명합니다. 라미네이트의 섬유 부피 함량은 공식 방법을 사용하여 계산되었으며, 계산 결과 WL 라미네이트의 섬유 부피 함량은 42.04%인 반면 WLVB 라미네이트의 섬유 부피 함량은 57.82%로 15.78% 증가한 것으로 나타났습니다. 라미네이트의 기계적 특성은 인장 및 충격 시험을 사용하여 특성화되었습니다. 실험 결과 WLVB 공정으로 라미네이트의 강도와 탄성률이 각각 17.4% 및 16.35% 향상되고 비흡수 에너지가 19.48% 증가한 것으로 나타났습니다.
Introduction
섬유 강화 고분자 복합재(FRP)는 섬유 보강재와 고분자 매트릭스 1,2,3을 혼합하여 제조된 고강도 재료의 일종입니다. 저밀도, 높은 비강성 및 강도, 피로 특성 및 우수한 내식성으로 인해 항공 우주 4,5,6, 건설 7,8, 자동차 9 및 해양 10,11 산업에서 널리 사용됩니다. 일반적인 합성 섬유에는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유가 포함됩니다12. 이 논문에서는 조사를 위해 유리 섬유를 선택했습니다. 기존 강철에 비해 유리 섬유 보강 복합 라미네이트(GFRP)는 밀도가 1/3 미만으로 가볍지만 강철보다 더 높은 비강도를 달성할 수 있습니다.
FRP의 제조 공정에는 진공 보조 수지 전사 성형(VARTM)13, 필라멘트 권선(FW)14 및 프리프레그 성형이 포함되며 다른 많은 고급 제조 공정(15,16,17,18)이 포함됩니다. 다른 준비 공정과 비교할 때 습식 핸드 레이업/진공 백(WLVB) 공정은 간단한 장비 요구 사항과 복잡하지 않은 공정 기술을 포함하여 몇 가지 장점이 있으며 제품은 크기와 모양에 제한을 받지 않습니다. 이 공정은 자유도가 높으며 금속, 목재, 플라스틱 또는 폼과 통합될 수 있습니다.
WLVB 공정의 원리는 진공 백을 통해 더 큰 성형 압력을 가하여 준비된 라미네이트의 기계적 특성을 향상시키는 것입니다. 이 공정의 생산 기술은 마스터하기 쉽기 때문에 경제적이고 간단한 복합 재료 준비 공정입니다. 이 프로세스는 완전히 수동이며 준비 담당자의 기술에 큰 영향을 받습니다. 따라서 제품은 공극 및 고르지 않은 두께와 같은 결함이 발생하기 쉽고, 라미네이트의 품질과 기계적 특성이 불안정합니다. 따라서 라미네이트의 기계적 특성의 높은 안정성을 얻기 위해 WLVB 공정을 자세히 설명하고, 단계를 미세하게 제어하고, 재료 비율을 정량화해야 합니다.
대부분의 연구자들은 준정적 19,20,21,22,23 및 동적 거동 24,25,26,27,28 및 복합 재료의 특성 수정 29,30을 연구했습니다. 섬유와 매트릭스의 부피 분율 비율은 FRP 라미네이트의 기계적 특성에 중요한 역할을 합니다. 적절한 범위에서 섬유의 부피 분율이 높을수록 FRP 라미네이트의 강도와 강성을 향상시킬 수 있습니다. Andrew et al.31은 FDM(Fused Deposition Modeling) 적층 제조 공정으로 준비된 시편의 기계적 특성에 대한 섬유 부피 분율의 영향을 조사했습니다. 그 결과 섬유 부피 분율이 22.5%일 때 인장강도 효율이 최대에 도달하고, 섬유 부피 분율이 33%에 도달함에 따라 강도가 약간 향상되는 것을 관찰하였다. Khalid et al.32는 다양한 섬유 부피 분율을 가진 연속 탄소 섬유(CF) 강화 3D 프린팅 복합재의 기계적 특성을 연구했으며, 그 결과 섬유 함량이 증가함에 따라 인장 강도와 강성이 모두 향상되었음을 보여주었습니다. Uzay et al.33은 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)의 기계적 특성에 대한 세 가지 제조 방법(핸드 레이업, 압축 성형 및 진공 백 포장)의 효과를 조사했습니다. 라미네이트의 섬유 부피 분율과 공극을 측정하고 인장 및 굽힘 테스트를 수행했습니다. 실험은 섬유 부피 분율이 높을수록 기계적 특성이 더 좋다는 것을 보여주었습니다.
공극은 FRP 라미네이트에서 가장 흔한 결함 중 하나입니다. 공극은 강도, 강성 및 피로 저항과 같은 복합 재료의 기계적 특성을 감소시킵니다34. 공극 주위에 생성된 응력 집중은 미세 균열의 전파를 촉진하고 보강재와 매트릭스 사이의 계면 강도를 감소시킵니다. 내부 보이드는 또한 FRP 라미네이트의 수분 흡수를 가속화하여 계면 분리 및 성능 저하를 초래합니다. 따라서 내부 공극의 존재는 복합재의 신뢰성에 영향을 미치고 광범위한 적용을 제한합니다. Zhu et al.35 는 CFRP 복합 라미네이트의 정적 층간 전단 강도 특성에 대한 공극 함량의 영향을 조사한 결과, 0.4%에서 4.6% 범위의 공극 함량이 1% 증가하면 층간 전단 강도가 2.4% 저하됨을 발견했습니다. Scott et al.36 은 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 사용하여 정수압 하중 하에서 CFRP 복합 라미네이트의 손상 메커니즘에 대한 공극의 효과를 제시했으며 공극 수가 무작위로 분포된 균열 수의 2.6-5배임을 발견했습니다.
고품질의 신뢰할 수 있는 FRP 라미네이트는 오토클레이브를 사용하여 제조할 수 있습니다. Abraham et al.37 은 경화를 위해 1.2MPa의 압력으로 오토클레이브에 WLVB 어셈블리를 배치하여 저다공성, 고섬유 함량 라미네이트를 제조했습니다. 그럼에도 불구하고 오토클레이브는 크고 값비싼 장비이므로 상당한 제조 비용이 발생합니다. 진공 보조 수지 이송 공정(VARTM)은 오랫동안 사용되어 왔지만 시간 비용, 더 복잡한 준비 공정, 전환 튜브 및 전환 매체와 같은 더 많은 일회용 소모품 측면에서 한계가 있습니다. WL 공정과 비교하여 WLVB 공정은 저비용 진공 백을 통해 불충분한 성형 압력을 보상하고 시스템에서 과도한 수지를 흡수하여 섬유 부피 분율을 높이고 내부 기공 함량을 줄여 라미네이트의 기계적 특성을 크게 향상시킵니다.
이 연구는 WL 프로세스와 WLVB 프로세스의 차이점을 탐구하고 WLVB 프로세스의 세심한 프로세스를 자세히 설명합니다. 라미네이트의 섬유 부피 함량은 공식 방법으로 계산되었으며, 그 결과 WL 라미네이트의 섬유 부피 함량은 42.04 %인 반면 WLVB 라미네이트의 섬유 부피 함량은 57.82 %로 15.78 % 증가한 것으로 나타났습니다. 라미네이트의 기계적 특성은 인장 및 충격 시험으로 특징 지어졌습니다. 실험 결과 WLVB 공정으로 라미네이트의 강도와 탄성률이 각각 17.4% 및 16.35% 향상되고 비흡수 에너지가 19.48% 증가한 것으로 나타났습니다.
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Protocol
1. 재료 준비
- 300mm x 300mm 짠 유리 섬유 직물 8 개를 가위로 자릅니다. 섬유 필라멘트가 떨어지지 않도록 먼저 절단면을 테이프로 붙입니다.
알림: 천을 절단할 때 손가락 찌르기와 필라멘트 흡입을 방지하기 위해 마스크와 장갑을 착용하십시오. 직조 유리 섬유 직물뿐만 아니라 단방향 직물 및 탄소 섬유 및 아라미드 섬유와 같은 다른 유형의 섬유도 사용할 수 있습니다. - 260g의 에폭시 수지와 78g의 경화제를 10:3의 질량 비율로 계량합니다.
주: 섬유 직물과 수지 체계의 비율은 단 하나 층 섬유 직물의 평방 미터 당 에폭시 수지 체계의 360 g이기 위하여 추천됩니다.
2. 제작 공정
참고: 그림 1 은 섹션 2에 표시된 핸드 레이업 공정을 위한 복합 라미네이트 제조 개략도를 보여줍니다.
- 증권 시세 표시기
- 천을 60°C의 오븐에 8시간 동안 넣습니다.
- 수지가 접착되는 것을 방지하기 위해 아크릴 시트에 절연 필름을 붙입니다.
- 누워있는 곳에 금형을 놓습니다.
- 수지와 경화제를 5분 동안 천천히 섞은 후 진공 챔버에 넣어 내부의 기포를 빼냅니다.
- 비다공성 이형 필름을 금형에 놓고 테이프로 고정합니다.
- 비다공성 이형 필름에 필 플라이 하나를 놓습니다.
- 에폭시 수지를 붓고 스크레이퍼를 사용하여 수지를 필름 전체에 고르게 분포시킵니다.
- 첫 번째 섬유 직물을 겹으로 덮고 네이키드 롤러로 롤링하여 수지가 직물에 완전히 침투하고 기포가 압출되었는지 확인한 다음 스크레이퍼를 사용하여 수지를 고르게 긁어냅니다.
- 모든 패브릭이 사용될 때까지 2.1.7 및 2.1.8단계를 반복합니다.
- 천에 한 겹의 껍질을 놓고 수동으로 기포를 짜냅니다.
- 구멍이 뚫린 이형 필름 하나와 브리더 패브릭 하나를 연속적으로 놓습니다.
- 흡입 채널과 통기성 패드를 한쪽에 놓습니다.
- 금형 외부에 아크릴 시트로 내열 테이프를 원형으로 붙이고 테이프로 진공 백을 부착하여 밀폐 된 공간을 형성합니다.
- 진공 펌프를 켜서 실온에서 1시간 동안 10bar의 압력을 누릅니다. 그런 다음 진공 펌프를 닫고 14시간 동안 정지 상태를 유지합니다.
- 라미네이트를 80°C의 오븐에 넣고 16시간 동안 완전히 경화시킵니다.
- 방정식 (1-3)38,39를 사용하여 섬유 부피 분율을 측정합니다.
(1)
(2)
(3)
n은 라미네이트의 층 수, ρ 섬유는 제조업체의 섬유 직물의 면적 밀도, 섬유는 라미네이트의 면적, m 섬유는 섬유 직물의 질량, m총계는 라미 네이트의 질량, ρ 에폭시는 에폭시의 밀도, v 에폭시 및 v합계 입니다. 는 각각 에폭시와 라미네이트의 부피이며, 는 섬유 부피 분율이다.
- WL 시리즈
- 천을 60°C의 오븐에 8시간 동안 넣습니다.
- 레진과 경화제를 5분 동안 천천히 섞은 후 진공 챔버에 넣어 내부의 기포를 빼냅니다.
- 비다공성 이형 필름을 금형에 놓고 테이프로 고정합니다.
- 비다공성 이형 필름에 필 플라이 하나를 놓습니다.
- 에폭시 수지를 붓고 스크레이퍼를 사용하여 수지를 필름 전체에 고르게 분포시킵니다.
- 첫 번째 섬유 직물을 겹으로 덮고 네이키드 롤러로 롤링하여 수지가 직물에 완전히 침투하고 기포가 압출되었는지 확인한 다음 스크레이퍼를 사용하여 수지를 고르게 긁어냅니다.
- 모든 패브릭이 사용될 때까지 2.2.5 및 2.2.6 단계를 반복합니다.
- 천에 한 겹의 껍질을 놓고 수동으로 기포를 짜냅니다.
- 천공 이형 필름 1개, 브리더 패브릭 1개, 비다공성 이형 필름 1개를 연속적으로 놓습니다.
- 섬유 직물과 같은 크기의 알루미늄 판 하나를 위에 놓습니다.
- 실온에서 14시간 동안 정지 상태를 유지합니다.
- 라미네이트를 80°C의 오븐에 넣고 16시간 동안 완전히 경화시킵니다.
(1)
(2)
(3)3. 충격 특성의 특성화
참고: 복합 라미네이트의 충격 시험에는 여러 가지 방법이 있습니다. 저속 충격 조건에서 일반적으로 사용되는 방법은 낙하 충격 시험이며, 고속 또는 초고속 충격 조건에서 자주 사용되는 방법은 총알 충격 방법입니다. 이 연구에서는 낙하 충격 시험을 적용했습니다. 장비는 그림 2에 나와 있습니다.
- 고정밀 절단기를 사용하여 ASTM D7136에 따라 충격 테스트를 위해 GFRP에서 150mm x 100mm 샘플 세트를 절단합니다.
- 각 샘플의 무게와 크기를 측정합니다.
- 임팩터가 모든 테스트에서 접촉할 수 있는 샘플의 중앙에 위치 못을 사용하여 샘플의 위치를 고정합니다.
- 4개의 고무 팁으로 충격 지지 고정 장치에 샘플을 고정합니다.
- 10J 에너지 수준에서 낙하 충격 타워를 사용하여 충격 테스트를 수행합니다. 낙하 해머 시험기를 켜고 연결을 클릭하여 컨트롤러를 드롭다운에 연결한 다음 홈 | 테스트 전에. 충격 에너지를 10J로, 추가 질량을 2kg으로 설정합니다. 측정 두께(WLVB 샘플의 경우 2.1mm, WL 샘플의 경우 2.5mm)를 입력하여 임팩터의 높이를 결정하고 시작 을 클릭하여 실험을 시작합니다.
- 힘, 처짐 및 에너지 이력을 포함한 충격 반응 데이터를 기록합니다.
- 샘플을 꺼냅니다. 충격 후 샘플의 형태를 기록합니다.
- 결과의 반복성을 보장하기 위해 충격 테스트를 5회 반복합니다.
- 표본의 데이터를 계산하고 비교합니다.
4. 인장 특성의 특성화
- ASTM D3039에 따라 다이아몬드 커터가 있는 고정밀 절단기를 사용하여 인장 시험을 위해 라미네이트에서 250mm x 25mm 샘플 세트를 절단합니다.
- 버니어 캘리퍼스로 각 샘플의 크기를 측정합니다.
- 에폭시 접착제를 사용하여 샘플의 양쪽 끝에 있는 4개의 50mm x 25mm x 2mm 알루미늄 탭을 접착하여 응력 집중을 방지합니다.
- 샘플 전면에 흰색 페인트를 얇게 뿌린 다음 검은색 반점을 뿌립니다.
- 샘플을 인장 시험기의 클램프 중앙에 놓고 그림 3과 같이 이미지 획득 시스템을 설정합니다.
- 변형률 데이터의 정확성을 보장하려면 샘플이 카메라 촬영 영역의 중앙과 수직 위치에 있도록 샘플의 위치를 변경합니다. 또한 카메라 초점 거리와 노출 속도를 조정하여 샘플의 스팟이 명확하게 기록되도록 합니다.
- 인장 시험을 수행합니다. CONFIGURE TEST(테스트 구성)를 클릭합니다. 테스트 속도를 0.5mm/min으로 설정합니다. 시편 데이터(Specimen data)를 클릭합니다. 샘플의 측정 너비와 두께를 입력합니다. 시작을 클릭한 다음 현재 위치 수락을 클릭합니다. 로드 시간 데이터를 기록합니다.
- 샘플을 꺼냅니다. 인장 시험 후 샘플의 형태를 기록합니다.
- 결과의 반복성을 보장하기 위해 인장 시험을 5회 반복합니다.
- 디지털 이미지 상관관계(DIC) 소프트웨어를 사용하여 인장 시험 중 샘플의 공칭 변형률을 측정합니다.
- [이미지 길이 배율 ]을 클릭하여 픽셀 길이를 보정하고 [참조 이미지]를 클릭한 다음 첫 번째 이미지를 참조 이미지로 선택합니다. [변형된 이미지]를 클릭하고 나머지 이미지를 변형 된 이미지 로 선택합니다. 그리기 도구(Drawing Tools) | 사각형을 선택하여 측정 영역을 선택합니다. 신율계(Exlaumeter )를 클릭하고 신율계의 길이를 100mm로 설정한 다음 Processing(처리) | 상관 관계를 시작합니다.
- 하중을 단면적으로 나누어 공칭 응력을 구합니다.
- DIC 측정의 공칭 변형률과 인장 시험기의 공칭 응력을 결합합니다.
- 변형-응력 곡선의 선형 세그먼트 기울기를 탄성 계수로 선택합니다. 인장력-시간 곡선의 피크 값을 강도로 선택합니다.
- 탄성 계수와 샘플의 강도를 비교합니다.
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Representative Results
표 1 은 섬유 부피 분율, 평균 두께 및 샘플의 제조 공정을 보여줍니다. G8-WLVB 및 G8-WL은 각각 진공 백 공정이 있거나 없는 습식 핸드 레이업으로 제조된 8겹 유리 직물로 구성된 라미네이트를 나타냅니다. 분명히, 진공 백 지원으로 라미네이트는 섬유 부피 분율이 15.78% 증가하고 평균 두께가 16.27% 감소합니다.
WLVB 및 WL 샘플의 인장 시험으로 얻은 변형률-응력 곡선은 그림 4에 나와 있습니다. 수직축은 힘을 단면적적으로 나눈 공칭 응력을 나타내고, 수평축은 DIC 소프트웨어로 계산한 공칭 변형률을 나타냅니다. WL 샘플이든 WLVB 샘플이든 실험 곡선에서 완벽한 반복성이 얻어지는 것을 알 수 있습니다. 처음 두 개의 샘플과 마지막 세 개의 샘플은 동일한 라미네이트에서 제조되지 않지만 동일한 제조 된 상태입니다. 따라서 단계를 미세하게 제어하고 재료 비율을 정량화하는 것이 중요합니다.
WLVB 샘플과 WL 샘플의 인장 시험 결과는 각각 표 2 및 표 3에 나와 있습니다. 비선형성은 인장 곡선에서 관찰되었습니다. 인장 변형률-응력 곡선의 선형 세그먼트 기울기는 탄성 계수를 나타내고, 인장 변형률-응력 곡선의 수직 축의 최대값 지점은 강도를 나타냅니다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 5개의 WLVB 샘플의 평균 인장 강도 및 탄성률은 각각 431.79 MPa 및 19.14 GPa이다. 인장 강도와 인장 계수의 표준 편차는 각각 17.81 및 0.52입니다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 5개의 WL 샘플의 평균 인장강도 및 평균 인장탄성률은 각각 367.8MPa 및 16.45GPa이다. 인장 강도와 인장 계수의 표준 편차는 각각 11.63 및 0.43입니다.
표 4 는 라미네이트의 인장 강도와 강성을 보여줍니다. 결과는 라미네이트의 인장 강도와 탄성률이 WLVB 공정을 사용하여 크게 향상되었음을 나타냅니다. WLVB 공정을 사용하여 제조된 라미네이트는 인장 강도와 탄성률이 각각 17.4% 및 16.35% 증가합니다. 결과적으로, WLVB 공정은 라미네이트의 인장 특성을 향상시킴으로써 라미네이트 제조에 탁월한 효과를 발휘합니다.
그림 5 는 G8-WLVB 및 G8-WL 샘플의 오차 막대를 사용한 인장 탄성률 및 강도를 보여줍니다. WLVB 공정으로 제조된 라미네이트의 인장 계수 및 강도는 WL 공정을 사용하여 제조된 라미네이트보다 높습니다. 오차 막대가 작을수록 공정의 안정성이 커집니다. 즉, WLVB 프로세스는 WL 프로세스보다 더 안정적입니다. 그림 6 은 인장 시험 후 WLVB 및 WL 샘플의 파괴를 보여줍니다. 샘플의 파괴 위치는 허용 가능한 중간 부근입니다. 그림 7 은 인장 시험 후 WLVB 및 WL 샘플의 측면도를 보여줍니다. 샘플이 WLVB 또는 WL 제조 공정으로 제조되는지 여부에 관계없이 샘플의 인장 파괴 모드에는 섬유 파손, 매트릭스 파괴 및 박리가 포함됩니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이 WL 샘플의 박리 길이는 WLVB 샘플의 박리 길이보다 깁니다. WL 샘플은 WLVB 샘플보다 수지 부피 분율이 높기 때문에 층 사이에 수지가 더 두꺼워집니다. 그 결과, WL 샘플에서 더 긴 박리 균열이 관찰될 수 있습니다.
WLVB 및 WL 샘플의 충격 테스트에서 얻은 힘 및 흡수 에너지 이력 곡선은 그림 8에 나와 있습니다. 충격 시험에서 보여준 뛰어난 반복성이 있습니다. WLVB 및 WL 샘플의 힘-시간 곡선의 모양은 일반적인 비관통 곡선으로 표현되는 사인파와 유사합니다. 그림 8C,D는 실시간 에너지 흡수 값을 나타냅니다. 흡수된 에너지 값은 먼저 증가한 다음 시간이 지남에 따라 감소합니다. 초기 상승 단계에서 라미네이트는 임팩터의 모든 운동 에너지를 점차적으로 흡수하여 내부 에너지로 변환했습니다. 최대 지점 뒤에서 라미네이트는 탄성 에너지를 방출하여 임팩터를 반동시킵니다. 라미네이트의 흡수 된 에너지는 최종 곡선 값에 의해 얻어졌습니다.
실험 데이터(40)에 대하여 통계적 분석을 실시하였다. WLVB 및 WL 샘플의 충격 테스트 결과는 각각 표 5 및 표 6에 나와 있습니다. 표 5에 나타난 바와 같이, 5개의 WLVB 샘플의 평균 비흡수 에너지 및 표준편차는 각각 0.092J/g 및 0.0024이다. 표 6에 나타낸 바와 같이, 5개의 WL 샘플의 평균 비흡수 에너지 및 표준 편차는 각각 0.077 J/g 및 0.0021이다.
표 7 은 라미네이트의 충격 특성과 WLVB 공정에 의해 제조된 라미네이트의 비에너지 흡수율 증가율을 보여줍니다. 10J의 동일한 충격 에너지 하에서 WLVB 및 WL 공정으로 제조된 라미네이트에 대해 동일한 손상 모드가 관찰됩니다. 그 결과 WLVB 공정으로 제조된 라미네이트는 비에너지 흡수율이 19.48% 증가한 것으로 나타났다. 따라서, WLVB 공정에 의한 라미네이트 제조의 놀라운 효과는 라미네이트의 충격 특성의 향상으로 관찰될 수 있다.
그림 9는 G8-WLVB 및 G8-WL 샘플의 오차 막대가 있는 특정 흡수 에너지를 보여줍니다. 두 공정으로 제조된 라미네이트의 두께 값이 다르기 때문에 특정 에너지 흡수는 라미네이트의 에너지 흡수 성능을 특성화하는 데 사용됩니다. 결과는 WLVB 샘플의 특정 흡수 에너지가 WL 샘플의 에너지보다 크다는 것을 보여줍니다. WLVB 샘플과 WL 샘플의 오차 막대는 충격 테스트에서 유사합니다. 그림 10 은 충격 시험 후 WLVB 및 WL 샘플의 상부 및 하부 표면을 보여줍니다. WL 샘플의 손상된 영역이 WLVB 샘플보다 크다는 것을 명확하게 알 수 있습니다. 따라서 WLVB 공정으로 제조된 샘플의 충격 에너지 흡수 능력은 WL 공정으로 제조된 샘플의 충격 에너지 흡수 용량보다 큽니다.
그림 1: WLVB 공정의 단순화된 회로도. (1) 진공 필름, (2) 진공 밸브 상부, (3) 박리 파일, (4) 비다공성 이형 필름, (5) 내열 탭, (6) 아크릴 판, (7) 진공 밸브 바닥부, (8) 통기성 패드, (9) 흡입 채널, (10) 알루미늄 몰드, (11) 직물, (12) 천공 이형 필름, (13) 브리더 직물. 약어: WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 낙하 해머 시험기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 디지털 이미지 상관 변형률 측정 시스템과 Zwick 인장 시험기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 5개 샘플의 인장 시험으로 얻은 응력-변형률 곡선. (A) WLVB; (비) WL. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: G8-WLVB 및 G8-WL 시료의 인장 계수 및 강도. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 인장 시험 후 WLVB 및 WL 샘플의 전면 모습. 노란색 점선 타원은 골절 위치를 나타냅니다. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 인장 시험 후 WLVB 및 WL 샘플의 측면도. (A) WL 샘플, (B) WLVB 샘플. 축척 막대 = 6mm. 노란색 점선 타원은 골절 위치를 나타내고 파란색 타원은 박리를 나타냅니다. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 5개 샘플의 충격 테스트에 의한 힘 및 흡수 에너지 이력 곡선. (A) WLVB 샘플의 힘 이력 곡선. (B) WL 샘플의 힘 이력 곡선. (C) WLVB 샘플의 흡수 에너지 이력 곡선. (D) WL 샘플의 흡수 에너지 이력 곡선. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: G8-WLVB 및 G8-WL 시료의 특정 흡수 에너지. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10: 충격 시험 후 WLVB 및 WL 샘플의 상부 및 하부 표면. 축척 막대 = 20mm. 노란색 점선 타원은 손상된 영역을 나타냅니다. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 견본 | 섬유 부피 분율 (%) | 섬유 부피 분율 증가(%) | 평균 두께 (mm) |
| G8-WLVB(G8-WLVB) | 57.82 | 15.78 | 2.11 |
| G8-WL 시리즈 | 42.04 | - | 2.52 |
표 1: 섬유 부피 분율, 섬유 부피 분율의 증가, WLVB 및 WL 공정으로 제조된 라미네이트의 평균 두께. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백.
| 샘플 1 | 샘플 2 | 샘플 3 | 샘플 4 | 샘플 5 | |||
| 인장 강도 (MPa) | 400.68 | 432.61 | 440.1 | 430.41 | 455.15 | ||
| 평균 인장 강도 (MPa) | 431.79 | ||||||
| 인장 강도(MPa)의 표준 편차 | 17.81 | ||||||
| 인장 계수 (GPa) | 19.64 | 18.95 | 18.47 | 18.79 | 19.85 | ||
| 평균 인장 계수(GPa) | 19.14 | ||||||
| 인장 계수(GPa)의 표준 편차 | 0.52 | ||||||
표 2: WLVB 샘플의 인장 시험 결과. 약어: WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백.
| 샘플 1 | 샘플 2 | 샘플 3 | 샘플 4 | 샘플 5 | |||
| 인장 강도 (MPa) | 344.89 | 375.48 | 374.51 | 369.7 | 374.4 | ||
| 평균 인장 강도 (MPa) | 367.8 | ||||||
| 인장 강도(MPa)의 표준 편차 | 11.63 | ||||||
| 인장 계수 (GPa) | 17.19 | 16.61 | 16.27 | 15.89 | 16.31 | ||
| 평균 인장 계수(GPa) | 16.45 | ||||||
| 인장 계수(GPa)의 표준 편차 | 0.43 | ||||||
표 3: WL 샘플의 인장 시험 결과. 약어: WL = 습식 핸드 레이업.
| 견본 | 인장 강도 (MPa) | 인장강도 증가(%) | 인장 계수 (GPa) | 인장 계수(%) 증가 |
| G8-WLVB(G8-WLVB) | 431.79 | 17.4 | 19.14 | 16.35 |
| G8-WL 시리즈 | 367.8 | - | 16.45 | - |
표 4: WLVB 및 WL 공정으로 제조된 라미네이트의 평균 인장 강도 및 탄성률과 인장 특성의 백분율 증가. 약어: WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백.
| 샘플 1 | 샘플 2 | 샘플 3 | 샘플 4 | 샘플 5 | |||
| 질량 (g) | 49.52 | 49.34 | 49.52 | 49.05 | 49.88 | ||
| 엿보기 힘(J) | 2847 | 2872 | 2854 | 2831 | 2866 | ||
| 흡수 에너지(J) | 4.65 | 4.36 | 4.67 | 4.63 | 4.55 | ||
| 비흡수 에너지(J/g) | 0.094 | 0.088 | 0.094 | 0.094 | 0.091 | ||
| 평균 비흡수 에너지(J/g) | 0.092 | ||||||
| 표준 편차(J/g) | 0.0024 | ||||||
표 5: WLVB 샘플의 충격 테스트 결과. 약어: WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백.
| 샘플 1 | 샘플 2 | 샘플 3 | 샘플 4 | 샘플 5 | ||||
| 질량 (g) | 62.83 | 62.02 | 60.07 | 61.82 | 61.4 | |||
| 엿보기 힘(J) | 3018 | 3017 | 2905 | 2999 | 2949 | |||
| 흡수 에너지(J) | 4.66 | 4.63 | 4.74 | 4.69 | 4.83 | |||
| 비흡수 에너지(J/g) | 0.074 | 0.075 | 0.079 | 0.076 | 0.079 | |||
| 평균 비흡수 에너지(J/g) | 0.077 | |||||||
| 표준 편차(J/g) | 0.0021 | |||||||
표 6: WL 샘플의 충격 테스트 결과. 약어: WL = 습식 핸드 레이업.
| 견본 | 충격 에너지(J) | 평균 엿보기 힘(N) | 평균 비흡수 에너지(J/g) | 평균 비흡수 에너지(%) 증가 |
| G8-WLVB(G8-WLVB) | 10J | 2854 | 0.092 | 19.48 |
| G8-WL 시리즈 | 10J | 2978 | 0.077 | - |
표 7: WLVB 및 WL 공정으로 제조된 라미네이트의 평균 충격 에너지, 피크 힘 및 비흡수 에너지와 충격 특성의 백분율 증가. 약어: WL = 습식 핸드 레이업; WLVB: 습식 핸드 레이업/진공 백.
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Discussion
이 논문은 저렴한 비용으로 핸드 레이업 방법을 위한 두 가지 다른 제조 공정에 중점을 둡니다. 따라서 이 논문에서 신중하게 설명하기 위해 두 가지 제조 공정을 선택했는데, 이는 더 간단하고 마스터하기 쉬우며 투자 비용이 저렴하고 실험실 및 소규모 공장에서 재료 수정을 통한 생산에 적합합니다. 라미네이트를 경화하는 동안 높은 통합 압력은 고품질의 라미네이트 제조에 중요한 역할을 합니다. 충분한 외부 압력 없이 기존의 WL 공정을 채택하면 수지 부피 분율이 높아질 수 있습니다. 높은 수지 부피는 라미네이트의 기계적 특성을 감소시키는 주요 요인 중 하나입니다. 본 연구에서는 진공 백을 이용하여 기포를 제거하고 압력을 제공하는 전통적인 WL 공정을 기반으로 한 제조 공정에 대해 설명합니다. 이 제조 공정에서는 재료의 비율과 단계 순서를 제어하는 것이 중요합니다. 라미네이트의 기계적 특성에 영향을 미치는 주요 요인은 섬유 부피 분율과 공극입니다. 따라서 2.1.4, 2.1.8 및 2.1.13단계에 설명된 대로 거품을 제거하는 프로토콜 단계가 중요합니다.
다양한 제조 공정으로 제조된 라미네이트의 기계적 특성을 비교하기 위해 인장 시험과 저속 충격 시험을 수행합니다. 이 연구에서 WLVB 공정으로 제조된 라미네이트는 인장 강도, 인장 계수 및 충격 에너지 흡수를 포함하여 더 나은 기계적 특성을 보여줍니다. 그 결과, WLVB 공정을 사용하여 제조된 라미네이트는 비에너지 흡수율이 18.3% 증가하고, 인장 강도 및 탄성률도 각각 16.3% 및 14.6% 증가했음을 알 수 있습니다.
WL 공정과 비교하여 WLVB 공정은 저비용 진공 백을 통해 불충분한 성형 압력을 보상하고 시스템에서 과도한 수지를 흡수하여 섬유 부피 분율을 높이고 내부 기공 함량을 줄여 라미네이트의 기계적 특성을 크게 향상시킵니다. WLVB 공정으로 제조된 라미네이트의 품질이 더 좋습니다. 진공 백에 의해 가해지는 압력이 더 균일하기 때문에 WLVB 공정으로 제조된 라미네이트의 두께도 더 균일합니다. 무게를 사용하여 WL 공정으로 제조된 라미네이트의 두께는 압력을 제공하기 위해 고르지 않아 라미네이트의 품질이 불안정합니다. 테스트 결과는 WLVB 샘플의 인장 및 충격 특성의 오차 막대가 더 작다는 것을 보여줍니다. 라미네이트 품질의 안정성은 경화 중에 균일한 압력을 가하는 것이 중요합니다.
WLVB 공정은 소규모 자본 투자로 복합 재료 생산 분야에서 중요한 추진력을 가지고 있습니다. 다른 준비 공정과 비교할 때 WLVB 공정은 간단한 장비 요구 사항과 복잡하지 않은 공정 기술을 포함하여 몇 가지 장점이 있으며 제품은 크기와 모양에 제한을 받지 않습니다. 이 공정은 자유도가 높으며 금속, 목재, 플라스틱 또는 폼과 통합될 수 있습니다. 그러나 WLVB 공정에는 낮은 효율과 긴 주기와 같은 몇 가지 제한 사항도 있습니다. 주목할 점은 주로 소량 생산에 적합하고 라미네이트 성능은 작업자의 기술 수준 및 시공 조건과 밀접한 관련이 있기 때문에 높은 수율을 달성하기 위해 제조 공정을 정량적으로 설계하고 최적화해야 합니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
저자들은 중국 국가 중점 연구 개발 프로그램(No. 2022YFB3706503)과 Shenzhen Natural Science Fund의 Stable Support Plan Program(No. 20220815133826001)의 보조금에 감사의 뜻을 전합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| breather fabric | Easy composites | BR180 | |
| drop-weight impact testing machine | Instron | 9340 | |
| Epoxy matrix | Axson Technologies | 5015/5015 | |
| glass fiber | Weihai Guangwei Composites | W-9311 | |
| non-porous release film | Easy composites | R240 | |
| Peel ply | Sino Composite | CVP200 | |
| perforated released film | Easy composites | R120-P3 | |
| test machine | ZwickRoell | 250kN | |
| vacuum film | Easy composites | GVB200 |
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